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  https://arxiv.org/pdf/1409.4842v1.pdf
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  【子豪兄】inception v1精读人工智能经典论文

1. 摘要

• 提出了Inception的深度卷积神经网络架构。
• 该体系结构用于分类和检测。
  • 分类【分类问题】：对画框的范围进行分类
  • 检测【回归问题】：画出框的线，画出物体的边缘框
• 该体系结构的主要特点是提高了网络内计算资源的利用率。
• 该体系结构基于Hebbian理论和多尺度信息处理
  • Hebbian理论：将不同特征进行融合成物体【例如：猫的耳朵，腿等融合成一只完整的猫】
  • 多尺度信息处理：用不同大小的卷积核并行处理，进行汇总融合【不同大小的卷积核，会融合不同大小的物体，比如：人，猫大小不一样，需要不同的卷积核】
• 允许增加网络的深度和宽度，同时保持计算量保持不变

2. 序言

• 在过去三年中，深度学习的进步（更具体地说是卷积网络），图像识别和对象检测的质量一直在以惊人的速度进步
• 大部分不仅是更强大的硬件、数据集和模型的结果，而且主要是新思想、算法和改进的网络架构的结果
• GoogLeNet参数比AlexNet少12倍，同时也更加准确。
• 随着移动和嵌入式计算的不断发展，算法的效率（尤其是其功率和内存使用）越来越重要
• 目标检测的最大收益并不是来自于单独使用深度网络或更大的模型，而是来自深度架构和经典计算机视觉的协同作用
• 该模型保持15亿倍的计算量，可以以合理的成本投入到现实中使用，即使是在大型数据集上。
• 该模型增加了网络深度【模型的深度与算法的深度】

3. 文献综述

• 从LeNet-5开始，卷积神经网络（CNN）通常具有标准结构
  • 标准结构：多层卷积层——》对比度归一化和最大池层【可选】——》一个或多个全连接的层。
• 对于较大的数据集，最近的趋势是增加深度(层数)和宽度（卷积核个数），同时使用丢弃(dropout)来解决过拟合问题。
• 池化层可能会导致空间信息丢失，但也成功用于定位、对象检测和人体姿态估计
  • 池化层具有平移不变性
• Inception模型中的所有滤波器(卷积核)都是学习得到的。 Inception层重复多次使用，导致GoogLeNet模型中的22层深度模型。
• Network-in-Network model,大量使用1*1卷积层，旨在提高神经网络的代表能力。具有两种作用
  • 主要用作降维模块，以消除计算瓶颈，限制网络的大小
  • 可以增加网络深度，宽度，非线性运算，且不会造成显著的性能损失。

4.动机和高层考虑

4.1提高深度神经网络性能的最直接方法

4.1.1 增加模型的大小

• 主要优点：
  • 增加网络深度【模型的深度】
  • 增加网络宽度【卷积核个数】
  • 是训练更高质量模型的一种简单而安全的方法，特别是考虑到大量标记训练数据的可用性。
• 主要缺点
  • 容易过拟合：增加网络深度会有更多参数，特别是在训练集中标记的数据集少时，使网络容易过拟合
  • 计算资源急剧增加
    • 参数的增加，计算次数也会增加
    • 如果增加深度使用效率降低（如果大多数权重最终接近于零，容量增加并没有显著效果），计算资源就会被浪费。

4.1.2 解决增加模型大小导致的缺点思路

• 思路一：【计算机设施效率降低，没有用】
  • 稀疏连接取代密集连接，并且在卷积内部也使用
    • 稀疏连接：就是有些参数权重为0【自己理解】
    • 在稀疏数据结构上进行数值计算，计算基础设施效率很低。
    • 即使参数减少了100倍，因此现有的计算效率低下使稀疏连接取代密集连接，模型并没有实际的提升
• 思路二：【没有降低计算机设施效率，且使用了稀疏计算】
  • 使用密集连接，得到稀疏连接
    • inception块使用了4种不同大小的卷积核并行卷积【每个卷积核卷积是密集连接】，最后进行汇总融合【各个特征图汇总融合就变成了稀疏连接】。
  • 在调整学习率、超参数和改进的训练方法之后，Inception架构在定位和对象检测特别有用，最终证明它们至少是局部最优。
  • 尽管该体系结构已经成为计算机视觉的成功，但其质量是否可以归因于导致其构建的指导原则，仍然值得探索。

5.结构详述

5.1 Inception架构的主要思想

• 主要思想：通过多个密集结构融合去获取近似的稀疏结构
• 在较低层（靠近输入层），更注重提取局部特征。在较高层（靠近输出层），更注重提取全局特征。
• 较低层提取局部特征，可以使用1*1卷积核。较高层提取较大特征，可以使用较大的卷积核（例如：3*3,5*5）提取
• 使用不同大小的卷积核并行卷积，汇总融合要确保特征图大小一致，使用padding填充。
• 池化操作对于网络成功至关重要，因此也添加了池化层
• Inception模块相互叠加，它们输出相关性统计数据不同。
  • 更高特征会被更高层提取，在更高层特征提取，3×3和5×5卷积的比率应该会增加。
• 仅在较高层开始使用Inception模块
  • 由于技术原因（训练期间的内存效率）。在传统卷积结构(CNN标准结构)后使用Inception模块是有益的。【但不是必须的，只是当前训练中的一些基础设施效率低下】
  • 另一个优点，它符合一种直觉，即视觉信息应该以各种尺度处理，然后聚合，以便下一阶段可以同时从不同尺度提取特征。
• inception模块增了网络的深度与宽度，但是没有增加计算量。导致inception网络非Inception架构类似性能网络快2-3倍，需要仔细的手动设计模型。

5.2 原生inception块问题

• Inception模块叠加，通道数会大大增加，导致较高层通道数非常大，计算量大大增加，可能导致计算故障。
• 因为一个池化层存在，通道数一定会增加，其它层输出通道为1，最终输出层也会比输入层多3层
  

5.3 解决通道数增加问题

• 使用1*1卷积
  • 在3*3,5*5卷积之前使用1*1卷积降低通道数【降维】
    

5.4 1*1卷积优点

• 升维与降维
  • 1*1卷积层不会改变卷积核的大小，只会改变通道数，调整通道数，控制模型复杂度【升维，降维】
    • 通道数比卷积前小，是对数据降维，降低模型复杂度
    • 通道数比卷积前大，是对数据升维，增加模型复杂度
• 增加非线性变换
  • 卷积层后会有非线性变换层，增加1*1卷积层，也就增加了非线性变换
• 增加模型深度
• 减少参数量与计算量
  • 1*1卷积参数只有1个，参数量较少，计算量也会减少
• 可以替代全连接层【通道数就是神经元的个数】
• 也可当作池化层
  • 使用1*1卷积核，当输入输出的特征图个数一致时，设置步长(stride),也可以代替池化层

6. GoogLeNet

• 模型inception结构图
  

• 总图
  

• GoogLeNet 这个名字是对LeNet 5网络的致敬

• 卷积之后全部使用Relu激活函数

• 图片大小为224×224，采用RGB颜色通道减去均值，对数据预处理

• 网络深度为22层（加上池化层，为27层。再加上inception模块内部层，为100层）。

• 全局平均池化代代替全连接层和展平层。

  • 网络能够很容易地适应和微调其他标签集。
  • 继续使用dropout

6.1辅助分类器

• 由于模型的深度较大，反向传播求参数会导致梯度消失问题，通过添加中间层的辅助分类器，增加反向传播梯度信号，提供额外的正则化。
• 辅助分类器放在Inception（4a）和（4d）模块的输出之上的较小卷积网络。
• 注意：训练好的模型，会去掉辅助分类器，增加辅助分类器只是防止梯度消失问题，导致求参困难
• 总损失函数公式
  $$\begin{array}{r}Los{s}_{total}=Los{s}_{end}+0.3\ast Los{s}_{辅助器1}+0.3\ast Los{s}_{total辅助器2}\end{array}$$

7. 训练方法

• 网络使用分布式机器学习系统进行训练。
  • 分布式机器学习系统具有数据并行性
  • 分布式系统，相当于多个电脑同时对该模型进行训练，数据分为k份，每份有batch个数据集，每个电脑进行前向与反向传播，主电脑用来优化更新参数
• 使用0.9的动量异步随机梯度下降（stochastic gradient descent with 0.9 momentum ）。
• 使用固定学习率计划（每8个时期将学习率降低4%）